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Universidade do Vale do Rio dos Sinos UNISINOS Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica Projeto e simulação de sistemas térmicos

Projeto e simulação de sistemas térmicosprofessor.unisinos.br/jcopetti/projeto e simulacao ST_PPG/aula_1... · 3 Bibliografia: STOECKER, W.F., Design of thermal systems. New York:

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Universidade do Vale do Rio dos Sinos – UNISINOS Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica

Projeto e simulação de sistemas térmicos

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Conteúdo programático:

Introdução. Projeto em engenharia. Conceitos aplicados a

Sistemas Térmicos

Análise e modelagem de equipamentos e sistemas termo-

hidráulicos

Trocadores de calor: tipos; princípios teóricos, métodos de

análise e projeto térmico-hidráulico

Refrigeração e ar condicionado: sistemas de compressão

mecânica a vapor: compressores, dispositivos de expansão,

refrigerantes, ciclo de absorção.

Bombas, ventiladores e turbinas.

Sistemas de geração de potência: ciclos Rankine, Brighton e

Stirling

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Bibliografia:

STOECKER, W.F., Design of thermal systems. New York: McGraw

Hill, 1989.

JANNA, W.S., Design of fluid thermal systems. Stamford: Cengage

Learning, 2010.

SURYANARAYANA, N.V; ARICI, O; SURYANARAYANA, N., Design

and simulation of thermal systems. New York: McGraw Hill, 2003.

GARCIA, C., Modelagem e simulação de processos industriais e de

sistemas eletromecânicos. São Paulo: EDUSP, 2005.

JALURIA, Y., Design and Optimization of Thermal Systems. CRC

Press - Taylor & Francis Group 2nd Ed., 2008.

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Simulação de um sistema refere-se ao processo de obtenção de

informações quantitativas sobre o comportamento e

características do sistema real, analisando, estudando ou

examinando um modelo do sistema.

O modelo do sistema pode ser submetido a uma variedade de

condições operacionais e ambientais e o desempenho do

sistema determinado em termos de variáveis como pressão,

temperatura, fluxos de energia e fluidos.

A simulação faz parte de um processo chamado PROJETO.

Introdução

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Sistema Componente

Processo

Projeto

O objetivo de um projeto pode ser um processo, um elemento ou componente de um conjunto maior ou o sistema completo.

Sistema

É definido como um conjunto de componentes com desempenho inter-relacionado.

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Projeto

Projeto é geralmente considerado como um processo pelo qual métodos,

dispositivos e técnicas são desenvolvidas para resolver problemas novos

ou existentes.

Deve incorporar alguns elementos de criatividade e inovação em termos

de uma abordagem nova e diferente para a solução dos problemas.

O interesse reside na produção de novos e melhores produtos a um custo

menor e que considera as crescentes preocupações em relação à impacto

ambiental e de segurança.

É fundamental otimizar o processo de um dado sistema, de modo que a

qualidade do produto, o lucro, a produtividade, etc., sejam maximizados,

e o investimento, entrada de energia, etc, sejam minimizados.

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PROJETO & ANÁLISE

Projeto envolve uma solução aberta com múltiplas possibilidades

Análise origina resultados únicos, definidos e fechados.

Componente eletrônico sendo resfriado por convecção forçada e/ou por um tubo de calor

Projeto: buscar material apropriado, geometria, dimensões, potência do ventilador ou outro sistema de resfriamento, de modo que a Tc < Tmax

Análise da distribuição de temperatura no componente eletrônico, para uma certa geometria, materiais e dimensões

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PROJETO & SÍNTESE

Projeto envolve considerar muitas soluções diferentes e encontrar um resultado aceitável que satisfaça um dado problema

Síntese os resultados de várias análises e tipos diferentes de informações juntos, podem ser combinados e sintetizados para incluir todos os importantes preocupações que surgem em um problema prático (resultados de diferentes modelos, processos, propriedades, material, segurança, aspectos ambientais...)

Esquema típico de um procedimento de projeto envolvendo análise e síntese

Entradas

Projeto

inicial

componentes

materiais -

propriedades

dados

experimentais

Análise e

avaliação Reprojeto

Aceitável?

Projeto

aceitável

S

N

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PROJETO & SELEÇÃO

Projeto começa a partir do conceito básico e desenvolve um sistema para uma determinada aplicação

Seleção componentes ou equipamentos devem ou podem ser escolhidos a partir de itens disponíveis.

Ex: Trocadores de calor

Projeto: trocadores de calor podem ser projetados para atender a faixas específicas de transferência de calor, temperatura, pressão e tamanho, etc.

Seleção frequentemente empregada junto no desenvolvimento de um sistema. Componentes e equipamentos.

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Decisões no projeto: 1. Necessidade & Oportunidade

Necessidade de aumentar a produção de vapor do processo

Aproveitar parte da produção de vapor para gerar energia elétrica

Mudança da matriz energética da empresa

Necessidade: item adequado não está disponível e deve ser desenvolvido para a

finalidade desejada. Pode envolver o desenvolvimento de um novo sistema ou modificar e

melhorar os já existentes.

Oportunidade de desenvolver um novo produto que pode ser superior aos existentes ou

de menor custo.

2. Critérios para o sucesso

Empresas comerciais LUCRO TIR (taxa de retorno do investimento)

Projetos públicos GRAU DE ATENDIMENTO DE UMA NECESSIDADE

Questões estritamente monetárias “temperadas” por considerações humanas, sociais, ambientais e políticas, com graus variáveis

Ex: deterioração da camada de ozônio busca por novos refrigerantes

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3. Probabilidade de sucesso

Projetos devem ser direcionados para o futuro, para o qual somente o conceito de probabilidade é aplicável.

Por exemplo: para uma TIR de 10% e uma planta com 5 anos de operação

4. Análise de mercado

- Novo produto avaliação de viabilidade económica, mercado, faixa de preço que vai

suportar, e despesas envolvidas no novo conceito

- Pesquisar nível de preços, consumo, características desejadas do produto e

aplicação pretendida.

- Considerar: custo de projetar e desenvolver o sistema, a partir de o conceito inicial até o

protótipo, custo de fabricação e a despesa de publicidade e vendas

Maiores volumes de venda geralmente significam menores custos

TIR (%)

Pro

ba

bili

dade

Após construção Após 1 ano de operação

Após projeto completo

Após projeto preliminar

Após 5 anos

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Projetando um sistema viável:

Projetando um sistema

viável!!!

Projetando um sistema

ótimo!!!

Projeto

Quantas soluções possíveis existem para um projeto??

Somente uma a solução ótima

Esse ótimo é baseado em algum critério definido: custo, tamanho, peso, tempo, etc.

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Sistema viável

Um sistema viável possui as seguintes características: Satisfaz os requerimentos de um sistema: fornece a potência necessária, mantém um determinado espaço na temperatura desejada, etc.; Apresenta vida útil satisfatória, além de baixos custos de manutenção; Cumpre todas as restrições, tais como: tamanho, peso, temperaturas, pressões, propriedades de materiais, ruído, emissões, etc.

Um projeto pode ser viável tecnicamente, mas não economicamente

A inviabilidade pode ser causada por:

Falta de investimento

Falta de espaço ou mão de obra

Regulamentações, leis, etc.

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Sistema viável vs. sistema ótimo

Exemplo de sistema viável: Selecionar uma bomba e a tubulação para transportar 3 kg/s de um líquido de um local até outro, situado a 250 m de distância e com elevação de 8 m em relação ao ponto de referência. A elevação de 8 m impõe uma diferença de pressão de : (8m) (1000 kg/m3) (9,81 m/s2) = 78,5 kPa Estimando uma pressão adicional de 100 kPa para compensar a perda de carga por atrito nos 250 m de tubulação; A bomba escolhida deverá transportar 3 kg/s contra uma pressão de 178,5 kPa. Para os 250 m de tubo, com perda de carga de 100kPa. Em uma tabela, seleciona-se o diâmetro interno do tubo que apresente perda de carga 100 kPa (p.e.: 50 mm – 2 in)

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Sistema viável vs. sistema ótimo:

Exemplo de sistema ótimo: O critério poderá ser custo, por exemplo, que é afetado por: Custo inicial da bomba; Custo inicial da tubulação; Custo operacional da bomba.

cu

sto

Tempo de vida Custo de bombeamento

Custo inicial da bomba

Custo inicial tubulação

Pressão da bomba, kPa

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Pesquisa e desenvolvimento - P&D

- interagem com a maioria das atividades de engenharia dentro a empresa, fornecendo insumos em vários estágios de desenvolvimento do produto ou sistema e proporcionando a longo prazo o apoio necessário aos projetos. - o grupo de P&D dedica esforços para desenvolver novas técnicas para melhorar os processos existentes ou propor novas ideias, que podem ser aplicadas para desenvolver novos produtos.

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Projetos termo-hidráulicos de sistemas térmicos

Projeto associado aos princípios da termodinâmica, transferência de calor e mecânica dos fluidos;

Equipamentos: bombas, ventiladores, compressores, motores, turbinas, trocadores de calor, reatores, tubulações, etc.;

Sistemas:

Geração: geração de potência (térmica, solar, nuclear..)

Rejeição: remoção de calor, refrigeração, ar condicionado, bombas de calor, resfriamento de componentes eletrônicos, torres de resfriamento.

Utilização: fabricação, motores de automóveis, aviões, transporte de fluidos, indústrias de processo (alimentos, químicas, etc.).

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1. Exigências e especificações

2. Quantidades dadas ou fixadas

3. Variáveis de projeto: hardware, condições operacionais

4. Restrições ou limitações

Ex: Um sistema de AC deve ser projetado para uma residência, cujo interior deve ser mantido a 22 5ºC. A temperatura ambiente pode alcançar 38ºC e a taxa de calor dissipado na casa é de 2 kW. O local, geometria e dimensões da residência são dadas. Formular o problema do projeto.

Formulação do problema de projeto

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Etapas de um projeto

1. Definição inicial do sistema

2. Modelamento do sistema

3. Simulação do sistema

4. Avaliação dos diferentes projetos

5. Iteração e obtenção de um projeto aceitável

6. Otimização do projeto

7. Automação e controle

8. Comunicação do projeto final

1 2 3 4

5 6 7 8

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Importância da simulação

Avaliar diferentes projetos para a seleção de um aceitável;

Avaliar o comportamento do sistema sob condições fora das especificadas no projeto;

Determinar os limites de segurança para o sistema;

Determinar os efeitos de diferentes variáveis de projeto para a otimização;

Melhorar ou modificar os sistemas existentes;

Investigar a sensibilidade do projeto para diferentes variáveis.

A simulação do sistema desempenha um importante papel na otimização do sistema, as saídas do sistema devem ser obtidas para diferentes variáveis de projeto, a fim de selecionar o projeto ótimo.

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• As características de desempenho dos componentes, assim como as propriedades do material, fazem parte de um modelo e a simulação do sistema é realizada por meio deste modelo.

• Estas características podem estar disponíveis na forma de dados ou como equações que correlacionam estes dados.

• As equações podem ser equações algébricas, equações diferenciais ordinárias ou parciais, equações integrais, ou uma combinação destas.

• Um modelo numérico é desenvolvido para resolver as equações, muitas das quais são tipicamente não-lineares para sistemas térmicos.

Considerações sobre a simulação de sistemas térmicos:

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• Dependente do tempo

• Multidimensional

• Mecanismos não lineares

• Geometrias complexas

• Condições de contorno complicadas

• Escoamento turbulento

• Mudança de fase

• Perdas de energia e ireversibilidades

• Propriedades variáveis

• Influência das condições ambientais

• Variedade de fontes de energia

A análise de sistemas térmicos pode ser: